Micro-LED因其高集成度、高亮度、低功耗、自發(fā)光等優(yōu)勢受到廣泛關(guān)注，有望成為新一代的主流顯示技術(shù)。盡管市場前景廣闊，但Micro-LED顯示產(chǎn)業(yè)化進程卻因整機成本過高而放緩腳步。導(dǎo)致其成本居高不下的原因之一是制造過程中涉及的有關(guān)材料、器件、工藝等復(fù)雜問題導(dǎo)致了最終的顯示屏像素良率達不到要求。顯示行業(yè)認為Micro-LED顯示屏的像素良率至少要99.99999%才可以保證不影響觀感。提升Micro-LED顯示屏像素良率、避免巨量修復(fù)是降低Micro-LED整機成本從而實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。受限于LED外延片的生長工藝和后續(xù)的晶圓級芯片加工工藝，難以保證所有Micro-LED芯片的光、電參數(shù)滿足要求。因此，在巨量轉(zhuǎn)移-鍵合之前，對晶圓級Micro-LED芯片進行檢測以實現(xiàn)壞點的攔截就成為提升Micro-LED顯示屏良品率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

目前，晶圓級Micro-LED檢測手段分為接觸型檢測和無接觸型檢測。接觸型檢測的代表性方法為電致發(fā)光檢測，即通過微型電學(xué)探針分別接觸Micro-LED的兩個電極并注入電流，記錄LED芯片的電學(xué)性能和發(fā)光性能。無接觸型檢測的代表性技術(shù)為光致發(fā)光檢測，該技術(shù)的原理是通過短波長激發(fā)Micro-LED芯片的多量子阱層實現(xiàn)發(fā)光，通過光致發(fā)光譜來評估LED的質(zhì)量。除了這兩種典型的檢測技術(shù)外，還存在以攝像系統(tǒng)與機器學(xué)習(xí)為核心的自動光學(xué)檢測、紅外熱成像檢測、陰極熒光檢測、飛行時間二次離子質(zhì)譜檢測等方法。此外，極具前瞻性的無接觸電致發(fā)光檢測技術(shù)也正加速發(fā)展，具有高效率、高準確率的無接觸電致發(fā)光檢測將是適配晶圓級Micro-LED芯片檢測的極佳方案。目前的檢測技術(shù)研究百家爭鳴，但尚無對現(xiàn)有的檢測技術(shù)進行總結(jié)與分析。

近日，福州大學(xué)、閩都創(chuàng)新實驗室郭太良教授團隊在《液晶與顯示》（ESCI、Scopus，中文核心期刊）2023年第5期發(fā)表了題為“晶圓級Micro-LED芯片檢測技術(shù)研究進展”的綜述，并被選作當(dāng)期封面文章。郭太良教授、吳朝興教授為該文通訊作者、研究生蘇昊為該文第一作者。該文首先介紹了晶圓級Micro-LED檢測時所需要檢測的幾個指標，其次詳細介紹并分析現(xiàn)有的檢測手段，最后對LED檢測技術(shù)進行總結(jié)并提出該領(lǐng)域未來發(fā)展方向的展望。

圖1：《液晶與顯示》2023年第5期封面圖

▍Micro-LED檢測技術(shù)簡介

Micro-LED芯片的質(zhì)量是影響Micro-LED顯示屏質(zhì)量的重要因素，是決定Micro-LED顯示的整機成本能否有效降低并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。然而，受限于LED外延片的生長工藝和后續(xù)的芯片加工工藝，無法保證所有Micro-LED芯片的光、電參數(shù)滿足要求。因此，在巨量轉(zhuǎn)移之前，對晶圓級Micro-LED芯片進行檢測以便實現(xiàn)壞點的攔截就成為提升Micro-LED顯示屏良品率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，隨著LED芯片的尺寸越來越小，一個顯示器上所需要的LED芯片數(shù)量也日漸增多。這對現(xiàn)有的晶圓級Micro-LED缺陷檢測手段提出了極高的要求。

目前，晶圓級Micro-LED檢測手段分為接觸型檢測和無接觸型檢測。接觸型檢測的代表性方法為電致發(fā)光檢測，即通過微型電學(xué)探針分別接觸Micro-LED的兩個電極并注入電流，記錄LED芯片的電學(xué)性能和發(fā)光性能。此外，無接觸型檢測技術(shù)也在逐漸發(fā)展。無接觸型檢測的代表性技術(shù)為光致發(fā)光檢測，該技術(shù)的原理是通過短波長激發(fā)Micro-LED芯片的多量子阱層實現(xiàn)發(fā)光，通過光致發(fā)光譜來評估LED的質(zhì)量。除了這兩種典型的檢測技術(shù)外，還有以攝像系統(tǒng)與機器學(xué)習(xí)為核心的自動光學(xué)檢測（AOI），以及極具前瞻性的無接觸電致發(fā)光檢測技術(shù)。

▍Micro-LED檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀

| 接觸型檢測 |

接觸型檢測的代表性方法為電致發(fā)光檢測。該檢測技術(shù)使用的主流方法是使微型探針與Micro-LED的電極進行接觸，然后通過在探針上施加直流電壓使外部載流子注入到Micro-LED的發(fā)光層中，使其發(fā)生電致發(fā)光現(xiàn)象，然后收集Micro-LED的工作電壓、亮度、發(fā)光波長等光電參數(shù)來判斷芯片合格。這種檢測方式原理簡單，技術(shù)成熟，但在檢測過程中要對探針進行垂直移動，在進行垂直移動的過程中會不可避免地對Micro-LED芯片的電極、表面，以及探針造成一定程度的損壞。此外，Micro-LED尺寸通常在50 μm以下，這導(dǎo)致探針與Micro-LED芯片電極的對準難度也加大，造成檢測效率低下、成本急劇增加。為此，研究人員從檢測效率提升、損傷抑制等方面開展研究。

• 檢測效率提升

設(shè)計特殊的電極結(jié)構(gòu)并通過顯微鏡對包含多顆Micro-LED的圖像進行處理并篩選出亮度不正常的芯片也可以提高檢測效率。研究人員提出了一種可以測量整個Micro-LED陣列乃至單顆Micro-LED芯片表面亮度分布的檢測方法。Micro-LED陣列（如圖2（a）所示）由行列電極進行選通，因而可以滿足單個Micro-LED芯片點亮和多個Micro-LED芯片同時點亮需求，并在兩種不同情況下使用測量系統(tǒng)進行檢測。攝像系統(tǒng)獲取發(fā)光的Micro-LED陣列圖像并由算法系統(tǒng)生成偽彩色圖（如圖2（b）所示），從偽彩色圖可以看出，隨著電流密度增大，Micro-LED表面亮度的均勻性增大。這個方法在檢測方面可以精確地表征單顆LED芯片的亮度均勻性情況，也可以同時表征多顆LED芯片的亮度均勻性情況。不足之處是制作多行多列的電極成本較高，且后期還需要去除這些過渡性的電極。

圖2：（a）Micro-LED陣列的顯微圖像；（b）單個微型LED芯片的亮度偽彩色圖和3D分布圖
圖源：IEEE ACCESS，2018，6：51329-51336. Fig.7，8

• 損傷抑制

覆蓋與LED芯片電極形狀相適配的透明導(dǎo)電膜可以在測試過程中保護LED芯片的電極不被損壞，減少成本，透明導(dǎo)電膜覆蓋LED芯片的示意圖如圖3（a）所示。研究人員提出了一種LED芯片的無損測試方法。該方法使用了透明導(dǎo)電膜覆蓋待測LED芯片，測試針通過導(dǎo)電膜與LED芯片間接接觸，從而避免了傳統(tǒng)針測中會出現(xiàn)的針痕問題，如圖3（b）與圖3（c）所示。該導(dǎo)電膜具有透明導(dǎo)電槽，導(dǎo)電槽分為正極導(dǎo)電槽和負極導(dǎo)電槽，分別對應(yīng)于LED芯片的正電極和負電極。其形狀與尺寸與待測LED芯片一致，深度與待測LED芯片電極厚度一致，再把這些經(jīng)過特殊制備的透明導(dǎo)電膜蝕刻在絕緣基底上，測試時LED芯片的電極嵌入透明導(dǎo)電槽，測試針再扎到這些與LED正負電極接觸的區(qū)域，進行測試。這種方案原理簡單、效果好，但是與諸多使用“介質(zhì)”隔開探針與LED芯片、Micro-LED芯片的方法一樣，一種規(guī)格的導(dǎo)電膜只能適配一種規(guī)格的芯片，適用性低，并且隨著LED芯片尺寸越來越小，制備與之相適配導(dǎo)電介質(zhì)的難度也會越來越大。

圖3：（a）采用透明導(dǎo)電膜的檢測原理示意圖；（b）針測后的LED電極光學(xué)顯微照片；（c）使用透明導(dǎo)電膜進行針測后的LED電極光學(xué)顯微照片
圖源：液晶與顯示,2023, 38(5):582-594. Fig.2
中國專利：一種LED芯片的無損測試方法. Fig.2

| 無接觸檢測 |

• 無電學(xué)接觸電致發(fā)光檢測

2015年，福州大學(xué)郭太良、吳朝興團隊提出了一種晶圓級Micro-LED芯片無接觸電致發(fā)光檢測技術(shù)。該技術(shù)可以對晶圓上百萬數(shù)量級的Micro LED芯片進行掃描式、無接觸電致發(fā)光檢測。無接觸電致發(fā)光檢測理論是一種最高效、最準確的檢測方式。該技術(shù)既可以避免光致發(fā)光導(dǎo)致的良品率虛高問題，又無需保證探針與芯片的精確接觸，因而檢查速度最快。無接觸電致發(fā)光原理如下：當(dāng)外加電場方向從p-GaN指向n-GaN時，n-GaN區(qū)域內(nèi)的電子與p-GaN區(qū)域內(nèi)的空穴通過擴散運動向多量子阱（MQWs）方向移動，在量子阱中發(fā)生輻射復(fù)合，如圖4（a）所示。在正向偏壓下并不能持續(xù)發(fā)生輻射復(fù)合現(xiàn)象，也就是說施加直流電壓或處于交流驅(qū)動正半周期時只能觀察到一次發(fā)光。這是因為多數(shù)載流子的漂移會在Micro-LED兩端形成耗盡區(qū)，并產(chǎn)生一個感生電場屏蔽外電場，阻止載流子擴散。因而必須施加一個反向電場來驅(qū)動電子空穴回到初始狀態(tài)（圖4（b））。因此該檢測技術(shù)需要施加交流電場才能使待檢測的Micro-LED周期性發(fā)光。LED無接觸電致發(fā)光可以用以下方程描述。

在無接觸電致發(fā)光檢測過程中，使用電極場板來與LED芯片發(fā)生耦合，如圖4（c）所示。外部高頻電源施加在場板電極與LED芯片陣列的底部電極上，使得場板下方的LED芯片陣列同時發(fā)光，通過相機收集圖像并檢測LED芯片的亮度參數(shù)。圖4（d）是福州大學(xué)研究人員所展示的晶圓級無電學(xué)接觸電致發(fā)光檢測效果。圖4（d）上圖是待檢測的Micro-LED陣列示意圖和單個器件實物圖。所檢測的芯片為4英寸晶圓上的正裝Micro-LED，芯片尺寸為40 μm×20 μm。圖4（d）下圖是實際檢測效果。

圖4：（a）無接觸Micro-LED在正向電場下的工作示意圖；（b）無接觸Micro-LED在反向電場下的工作示意圖；（c）晶圓級Micro-LED的無接觸電致發(fā)光檢測原理圖；（d）待檢測的Micro-LED陣列示意圖與Micro-LED陣列檢測效果圖
圖源：液晶與顯示, 2023, 38(5):582-594. Fig.3

• 光致發(fā)光檢測

光致發(fā)光（PL）檢測是無接觸檢測中一種常用的檢測方式。其原理如圖5（a）所示，即使用短波長光（如紫外光）激發(fā)LED的發(fā)光層的電子使其輻射躍遷。進而產(chǎn)生發(fā)光圖像并從發(fā)光圖像中篩選出損壞的LED芯片。使用PL圖像和陰極熒光（CL）成像來代替電致發(fā)光檢測，同樣實現(xiàn)無損檢測的想法，PL圖像與CL圖像分別如圖5（b）、圖5（c）所示。對于同一個多像素LED樣本，使用短波長的光激發(fā)時，所有像素都會發(fā)光，但在使用CL成像時并非所有像素都被點亮。對此的解釋是，PL的整個過程并沒有發(fā)生載流子運輸，因而不受LED像素在刻蝕過后產(chǎn)生的各種短路缺陷的影響。實驗發(fā)現(xiàn)71.75%的像素在CL圖像與EL圖像中都會發(fā)光，說明CL圖像能一定程度上與EL檢測結(jié)果擬合，但擬合度還需進一步提高。

圖5：(a) PL 檢測原理示意圖；(b)PL檢測圖像；(c)陰極熒光圖像
圖源：Journal of the Society for Information Display，2021，29(4)：264-274. Fig.3

• 自動光學(xué)檢測

AOI是現(xiàn)在市面上普遍使用的一種LED缺陷檢測技術(shù)。它多使用于識別剛切割后的晶圓片上帶有表面缺陷的LED像素，或者與點亮的LED芯片陣列相結(jié)合，檢測、識別不亮或亮度較暗的LED芯片，將其識別為壞點。隨著卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，AOI系統(tǒng)的效率和精度也越來越高，不同的算法也能夠適應(yīng)不同的檢測需求。

▍總結(jié)與展望

從產(chǎn)業(yè)成熟度、耗材經(jīng)濟性、檢測效率、技術(shù)簡易度、檢測準確度、檢測全面性來對四種常見的晶圓級Micro-LED芯片檢測技術(shù)進行綜合對比，如圖6所示。產(chǎn)業(yè)成熟度方面，自動光學(xué)檢測與光致發(fā)光檢測在市面上已有諸多成熟的檢測設(shè)備。耗材經(jīng)濟性上，無接觸電致發(fā)光檢測、自動光學(xué)檢測與光致發(fā)光檢測都不會與待測樣品進行接觸，因而也不會造成機械性損壞，可以有效減少耗材成本。同時，無接觸電致發(fā)光檢測、自動光學(xué)檢測與光致發(fā)光檢測不需要進行頻繁的垂直方向移動，并且可以實現(xiàn)Micro-LED芯片陣列的檢測，因此具有較高的檢測效率。自動光學(xué)檢測的核心是深度學(xué)習(xí)算法與顯微攝像系統(tǒng)，因此其在技術(shù)簡易度方面有著先天的優(yōu)勢。對于檢測準確度，有接觸電致發(fā)光檢測與無接觸電致發(fā)光檢測都以電致發(fā)光為基礎(chǔ)，因而可以有效攔截?zé)o法正常發(fā)光的芯片，具有較高的檢測準確率。最后是檢測全面性，有接觸電致發(fā)光檢測過程與Micro-LED芯片實際應(yīng)用情景一致，可以得到Micro-LED芯片完整的電學(xué)、光學(xué)參數(shù)。

圖6：各類檢測技術(shù)對比圖
圖源：液晶與顯示, 2023, 38(5):582-594. Fig.6

接觸型電致發(fā)光檢測可以準確獲得Micro-LED芯片工作時的電學(xué)參數(shù)（如電流密度、電壓、反向漏電流等）以及發(fā)光時的波長、亮度等。然而，接觸型電致發(fā)光檢測容易對Micro-LED電極、芯片表面造成刮擦、擠壓等損壞。同時，面對巨量的Micro-LED芯片檢測存在效率低下的問題，顯著增加了顯示器件的制作成本。光致發(fā)光檢測采用短波長、高能量的光來激發(fā)Micro-LED芯片中的獲得LED芯片的吸收光譜、載流子壽命等，但并不能真實反映器件的工作狀態(tài)。AOI檢測技術(shù)只能篩選出有外觀缺陷的LED芯片，無法篩選出不能發(fā)光的Micro-LED芯片。

Micro-LED廠商總是希望在保留接觸型電致發(fā)光檢測高準確度同時，提高檢測效率、減少對芯片的損傷，即無接觸電致發(fā)光檢測方案。無接觸電致發(fā)光檢測的優(yōu)勢在于它可以避免漏檢率過高的問題，可以較為準確地獲得Micro-LED芯片的電致發(fā)光性能。同時，檢測效率可以媲美光致發(fā)光檢測和自動光學(xué)檢測，可有效縮短工藝時間。此外，無接觸電致發(fā)光檢測可以實現(xiàn)批量的Micro-LED芯片檢測（檢測數(shù)量取決于檢測探頭的面積），并且不會對Micro-LED芯片施加任何外力，杜絕了由于檢測而對芯片產(chǎn)生的額外損傷。隨著Micro-LED在大屏幕、高清顯示的迅猛發(fā)展，無接觸快速電致發(fā)光檢測方案是大勢所趨。

▍論文信息

蘇昊，李文豪，李俊龍，劉慧，王堃，張永愛，周雄圖，吳朝興，郭太良.晶圓級Micro-LED芯片檢測技術(shù)研究進展[J].液晶與顯示, 2023,38(5):582-594.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0392

▍通訊作者

郭太良，研究員，博士生導(dǎo)師，全國優(yōu)秀教師，閩都創(chuàng)新實驗室副主任，國家新型顯示技術(shù)創(chuàng)新中心副主任，平板顯示技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室主任。主要承擔(dān)了863重大專項、國家基金、福建省重大科技項目等20多項科研項目，研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的可顯示視頻圖像的20英寸單色、25英寸QVGA彩色、VGA彩色、SVGA彩色、34英寸XGA彩色場致發(fā)射顯示器，以及5、10、20和34英寸FED背光源，為低成本、大尺寸FED顯示器和背光源的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化開辟了一條全新途徑。以排名第一獲福建省科技進步一等獎，中國產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新成果二等獎各一項，授權(quán)發(fā)明專利100多件，發(fā)表學(xué)術(shù)論文280多篇。

吳朝興，福州大學(xué)、福建省閩都創(chuàng)新實驗室教授，博士生導(dǎo)師。長期從事光電器件與新型顯示技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)研究，聚焦納米像元顯示技術(shù)（NLED）及基于無載流子注入技術(shù)的光電材料分析測試研發(fā)。截止至2022年，獲得中國授權(quán)發(fā)明專利23件，韓國授權(quán)發(fā)明專利5件，作為第一作者/通訊作者在 Nature Communications、Advanced Materials、ACS Nano、Nano Energy、Advanced Functional Materials等期刊發(fā)表論文70余篇。入選首批福建省“雛鷹計劃”青年拔尖人才、福建省引進高層次人才（A類）、福建省“閩江學(xué)者獎勵計劃”。主持“十四五”國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金、福建省自然科學(xué)基金等，獲得福建省自然科學(xué)優(yōu)秀學(xué)術(shù)論文一等獎、韓國研究開發(fā)優(yōu)秀成果獎。